飼料中去除礦物添加劑對(duì)豬糞中礦物元素含量及化學(xué)形態(tài)的影響

趙紅波，韓 紅，陳雪梅，韓冠軍，李會(huì)榮，盛清凱*，王迎雪

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 畜牧獸醫(yī)研究所，山東 濟(jì)南 250100；2.山東省畜禽疫病防治與繁育重點(diǎn)試驗(yàn)室，山東 濟(jì)南250100；3.山東美事達(dá)農(nóng)牧科技有限公司，山東 濟(jì)陽 264055；4.山東省飼料質(zhì)量檢驗(yàn)所，山東 濟(jì)南 250022；5.山東大學(xué) 第二醫(yī)院，山東 濟(jì)南 250033)

目前普遍認(rèn)為飼料是畜禽糞便中銅、鐵、鋅、錳等礦物元素污染的源頭。如何減排礦物元素的同時(shí)促進(jìn)豬生長，即合理減排，成為全球普遍關(guān)注的熱點(diǎn)之一。基于玉米等植物性飼料原料中銅、鐵、鋅、錳等礦物元素利用率低、其含量不予考慮、飼料配制時(shí)需額外補(bǔ)充礦物添加劑的動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)理論，為了促進(jìn)豬的生長，人們配制飼料時(shí)常常額外補(bǔ)充無機(jī)或有機(jī)礦物添加劑[1]。此舉無疑會(huì)增加飼料中礦物元素的含量，導(dǎo)致畜禽糞便中礦物元素含量增加。Shaw等[2]報(bào)道在出欄前一個(gè)月飼料去除礦物添加劑，降低了糞中銅等元素的含量，且對(duì)豬的生長無影響，這為破解環(huán)保減排與養(yǎng)殖生產(chǎn)的矛盾提供了新的思路。礦物元素的化學(xué)形態(tài)不但與動(dòng)物機(jī)體代謝相關(guān)[3]，還影響著糞肥的有效性[4]。去除礦物添加劑后對(duì)豬糞中礦物元素化學(xué)形態(tài)的影響及如何進(jìn)一步營養(yǎng)提高豬的生產(chǎn)性能尚不清楚。

益生菌作為一種常用的綠色飼料添加劑，添加于豬飼料中直接飼喂或厭氧發(fā)酵后飼喂，可以減少豬糞氮排放及促進(jìn)豬的生長[5-6]，但對(duì)降低豬糞中礦物元素的含量及化學(xué)形態(tài)的影響未見報(bào)道。盛清凱等利用BCR(Community Bureau of Reference，BCR)法[7]發(fā)現(xiàn)添加礦物添加劑的飼料發(fā)酵后，飼料及豬糞中銅、鐵、鋅、錳的化學(xué)形態(tài)皆發(fā)生改變[8]，這為礦物質(zhì)減排提供了參考，但對(duì)去除礦物添加劑后豬糞的影響尚不清楚。研究去除礦物添加劑后豬糞中礦物元素的形態(tài)及提高動(dòng)物生產(chǎn)性能的方法有助于兼顧環(huán)保與養(yǎng)殖的協(xié)調(diào)發(fā)展。本試驗(yàn)旨在利用BCR法，研究飼料中去除銅、鐵、鋅、錳等礦物添加劑后及其添加益生菌、厭氧發(fā)酵對(duì)豬糞中礦物元素含量、化學(xué)形態(tài)及豬生長的影響，為糞污合理減排提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)動(dòng)物和材料

同日齡80頭體重62.5±0.50 kg杜長大三元雜交去勢(shì)生豬以及試驗(yàn)飼料全部由美士達(dá)公司提供。益生菌(枯草芽孢桿菌和植物乳酸桿菌，含量均為1×1010cfu/g)由山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將生豬隨機(jī)均分為四組，分別飼喂添加礦物添加劑的常規(guī)日糧(對(duì)照組)、常規(guī)日糧中去除礦物添加劑后的基礎(chǔ)日糧(去礦組)、基礎(chǔ)日糧+益生菌干粉料飼喂的試驗(yàn)日糧(益生菌組)、基礎(chǔ)日糧+益生菌后厭氧發(fā)酵濕喂的試驗(yàn)日糧(發(fā)酵組)，每組5個(gè)重復(fù)，每重復(fù)4頭豬。常規(guī)日糧中銅、鐵、鋅、錳添加劑皆為硫酸鹽化合物，銅、鐵、鋅、錳添加量分別為45 mg/kg、170 mg/kg、140 mg/kg、120 mg/kg。益生菌在基礎(chǔ)日糧中的添加量為0.05 %。發(fā)酵日糧為塑料袋厭氧發(fā)酵[9]，其主要操作步驟為將含有益生菌的基礎(chǔ)日糧調(diào)整水分含量至50%，厭氧發(fā)酵7 d后濕喂，此時(shí)飼料的pH 為4.2，乳酸菌含量為1.1×109cfu/g。整個(gè)試驗(yàn)期為31 d。試驗(yàn)在美士達(dá)豬場(chǎng)進(jìn)行。生豬全部水泥地面飼養(yǎng)于同一豬舍，每重復(fù)單欄飼養(yǎng)。生豬自由采食與飲水，飼養(yǎng)程序一致。每天觀察記錄天氣、采食、健康等情況。

表1 基礎(chǔ)飼料組成及營養(yǎng)水平(風(fēng)干基礎(chǔ))Table 1 Composition and nutrient levels of the basal diet (air-dry basis)

注：營養(yǎng)水平為理論計(jì)算值。

Notes:Nutrient levels were calculated values.

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)開始前與結(jié)束后一天8:00全部生豬個(gè)體空腹稱重，每重復(fù)生豬每10 d統(tǒng)計(jì)一次采食量，發(fā)酵組豬的采食量按對(duì)照組同等水分含量計(jì)算，計(jì)算始重(IW)、末重(FW)、平均日增重(ADG)(n=20)、平均日采食量(ADFI)及料肉比(F/G)(n=15)。試驗(yàn)第3d、第16d、第31 d早7:00每組生豬每重復(fù)隨機(jī)選擇2頭豬空腹采集豬糞，豬排泄時(shí)立即收集，低溫貯存帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析(n=10)。

1.4 礦物元素的檢測(cè)

糞便中銅、鐵、鋅、錳含量的測(cè)定：糞便樣品直接加酸消解, 用去離子水進(jìn)行溶解、定容，用Thermo Scientific iCE 3000 原子吸收光譜儀進(jìn)行測(cè)定。

糞便中不同形態(tài)銅、鐵、鋅、錳含量的測(cè)定：依據(jù)BCR法[7]將豬糞分離為酸提取態(tài)(Acid soluble fraction，ASF)、還原態(tài)(Reducible fraction，RDF)、氧化態(tài)(Oxidisable fraction, OF)、殘?jiān)鼞B(tài)(Residual fraction, RSF)四部分，然后利用原子吸收光譜儀測(cè)定各分離組分中銅、鐵、鋅、錳的含量。同種元素四種形態(tài)的含量之和為100 %，據(jù)此計(jì)算不同形態(tài)所占的比例。

1.5 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SAS ( V9.1) 軟件進(jìn)行處理, 計(jì)算平均值與標(biāo)準(zhǔn)誤，用ANOVA進(jìn)行單因子方差分析，以Duncan 氏法進(jìn)行多重比較，P<0.01 為差異極顯著,P<0.05 為差異顯著。數(shù)據(jù)結(jié)果用平均值表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 去除礦物添加劑對(duì)豬糞中礦物元素含量的影響

表2中，和對(duì)照組相比，去礦組第16天和第31天豬糞銅、鐵、鋅、錳含量皆顯著降低(P<0.01), 第31天去礦組糞中銅、鐵、鋅、錳含量分別降低80.58%、53.12%、78.13% 、49.06%，表明常規(guī)飼料去除礦物添加劑降低了糞中銅、鐵、鋅、錳的含量。和去礦組比較，第31d益生菌組銅、鐵、鋅、錳含量降低，但差異不顯著(P>0.05)；發(fā)酵組降低顯著(P<0.05)，第31天發(fā)酵組銅、鐵、鋅、錳分別降低91.45%、64.87%、84.22%、61.03%，表明飼料發(fā)酵影響銅、鐵、鋅、錳的代謝。

表2 去除礦物添加劑對(duì)豬糞中不同元素含量的影響Table 2 Effects of demineralized additives on minerals content in pig feces mg/kg

注：同行無字母或數(shù)據(jù)肩標(biāo)相同字母表示差異不顯著(P>0.05)，不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)。下表同。

Note:In the same row, values with no letter or the same letter superscripts mean insignificant difference (P>0.05), while different small letter superscripts mean significant difference (P<0.05), and different capital letter superscripts mean extremely significant difference (P<0.01). The same below.

2.2 去除礦物添加劑對(duì)豬糞中不同礦物元素化學(xué)形態(tài)的影響

由表3看出，和對(duì)照組相比，去礦組第3天還原態(tài)銅含量升高、氧化態(tài)銅含量降低 (P<0.05)，而第31天無顯著差別，表明停用礦物元素添加劑初期影響糞銅形態(tài)，長期無影響。和去礦組相比，益生菌組各時(shí)間不同形態(tài)銅的含量無顯著差異(P>0.05)，表明益生菌對(duì)銅形態(tài)無影響；發(fā)酵組第16天和第31天的酸提取態(tài)、還原態(tài)降低，氧化態(tài)增加(P<0.05)，表明飼料發(fā)酵影響糞銅的形態(tài)。

表3 去除礦物添加劑對(duì)豬糞中銅形態(tài)的影響Table 3 Effects of demineralized additives on different speciation of Cu in pig feces %

由表4看出，和對(duì)照組相比，去礦組各時(shí)間氧化態(tài)鐵含量降低，殘?jiān)鼞B(tài)含量升高(P<0.01)，表明停用礦物元素影響鐵的形態(tài)。和去礦組比較，益生菌組各時(shí)間鐵含量無顯著差異(P>0.05)，表明添加益生菌對(duì)糞鐵形態(tài)無影響；而發(fā)酵組第31天的酸提取態(tài)、還原態(tài)、氧化態(tài)含量增加，殘?jiān)鼞B(tài)降低 (P<0.05)，表明發(fā)酵影響糞鐵的形態(tài)。

由表5知，和對(duì)照組相比，去礦組第31天豬糞中酸提取態(tài)鋅降低，氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)增加(P<0.05)，表明停用礦物元素影響鋅的化學(xué)形態(tài)。和去礦組相比，益生菌組各時(shí)間酸提取態(tài)、還原態(tài)、氧化態(tài)及殘?jiān)鼞B(tài)無顯著變化(P>0.05)；發(fā)酵組第16天及第31天醋酸態(tài)含量升高，還原態(tài)含量降低(P<0.05)，表明飼料發(fā)酵影響鋅的形態(tài)。

表4 去除礦物添加劑對(duì)豬糞中鐵形態(tài)的影響 Table 4 Effects of demineralized additives on different speciation of Fe in pig feces %

表5 去除礦物添加劑對(duì)豬糞中鋅元素形態(tài)的影響 Table 5 Effects of demineralized additives on different speciation of Zn in pig feces %

由表6看出，和對(duì)照組相比，去礦組第16天、31天豬糞中酸提取態(tài)降低，氧化態(tài)升高(P<0.05)，表明停用礦物元素影響錳的化學(xué)形態(tài)。和去礦組相比， 益生菌組第31天錳酸提取態(tài)降低，氧化態(tài)增加，但差異不顯著(P>0.05)，而發(fā)酵組第16天及31天酸提取態(tài)含量降低，氧化態(tài)含量增加(P<0.05)，表明停用礦物添加劑后添加益生菌對(duì)豬糞錳形態(tài)無影響，但飼料發(fā)酵影響錳的形態(tài)。

表6 去除礦物添加劑對(duì)豬糞中錳元素形態(tài)的影響 Table 6 Effects of demineralized additives on different speciation of Mn in pig feces %

2.3 去除礦物添加劑對(duì)豬生產(chǎn)性能的影響

和對(duì)照組相比(表7)，去礦組豬末重、日增重、采食量及料肉比無顯著差異，表明停用礦物元素添加劑對(duì)豬生產(chǎn)性能無影響。和去礦組相比，益生菌組豬末重及日增重顯著升高，而料肉比顯著降低(P<0.05)，表明添加益生菌可以促進(jìn)豬的生長；而發(fā)酵組豬末重、日增重及采食量極顯著增加，料肉比極顯著降低(P<0.01)，表明飼料發(fā)酵進(jìn)一步促進(jìn)豬的生長。

表7 去除礦物添加劑對(duì)豬生長的影響 Table 7 Effects of demineralized additives on pig growth %

3 討 論

隨著環(huán)保的日益重視，糞污減排成為普遍關(guān)注問題。由于飼料礦物質(zhì)成為糞尿中主要的礦物來源，因此降低飼料中礦物質(zhì)的添加量成為減排的主要手段。過去飼料添加礦物質(zhì)的理論為玉米等植物性飼料原料中銅、鐵、鋅、錳的利用率低，其含量不予考慮，為了滿足豬的營養(yǎng)需要或提高豬的生產(chǎn)性能，飼料中額外添加無機(jī)或有機(jī)礦物添加劑[1，10]。由此導(dǎo)致礦物質(zhì)在體內(nèi)蓄積，豬糞中排出的量增加[11]。糞中銅的排出量可占飼料食入量的87% 以上，甚至高達(dá)98%[12]。其實(shí)，植物性飼料原料中含有一定量的礦物元素，提高其利用率或許可以減少或不再額外添加礦物添加劑。如何提高玉米等植物性飼料原料中銅、鐵、鋅、錳的利用率成為礦物減排的關(guān)鍵。目前關(guān)于礦物元素利用率的資料缺乏。本試驗(yàn)基礎(chǔ)日糧中銅、鐵、鋅、錳的含量分別為9.19 mg/kg、105.05 mg/kg、44.78 mg/kg、46.30 mg/kg，超過或接近豬飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)[13]規(guī)定2.5 mg/kg、50 mg/kg、50 mg/kg、2.00 mg/kg的需要量。本試驗(yàn)中去除礦物添加劑改變了豬糞中礦物元素形態(tài)的原因可能為常規(guī)飼料中礦物添加劑為硫酸鹽無機(jī)化合物，與體內(nèi)銅等有機(jī)化合物形態(tài)不同[14-15]，體內(nèi)有機(jī)化合物分解所致。去除礦物添加劑對(duì)豬生長無影響的原因可能在于去除礦物添加劑后的飼養(yǎng)期短，長期去除則可能影響豬的生長或肉質(zhì)[16-17]。飼料發(fā)酵后進(jìn)一步降低豬糞中礦物元素含量及促進(jìn)豬生長的原因，可能為發(fā)酵提高了植物性原料中銅、鐵、鋅、錳的利用率[18]，飼料中的礦物元素被機(jī)體吸收、利用，豬糞中礦物元素含量降低。

目前未見去除礦物添加劑后飼料發(fā)酵對(duì)豬糞中礦物元素形態(tài)影響的報(bào)道。本試驗(yàn)飼料發(fā)酵后豬糞中銅、鐵、鋅、錳的酸提取態(tài)或還原態(tài)含量降低、氧化態(tài)含量升高，這一結(jié)果與盛清凱[7]報(bào)道常規(guī)飼料發(fā)酵后豬糞中氧化態(tài)含量降低的結(jié)論不同，差異原因可能在于本試驗(yàn)停用礦物添加劑，發(fā)酵的是植物性飼料原料。本試驗(yàn)飼料發(fā)酵改變了豬糞礦物元素形態(tài)的原因可能在于，其一，發(fā)酵提高了植物性原料中礦物元素的溶解度[19]。由于銅等礦物元素主要富集在植物細(xì)胞壁中,在發(fā)酵產(chǎn)物酸、酶或微生物的作用下，植物細(xì)胞壁被破壞，礦物元素溶解度增加。其二，降解了植物性原料中植酸等的抗?fàn)I養(yǎng)因子[20-21]。植酸被降解，可以導(dǎo)致銅、鋅的形態(tài)改變[22-23]。其三，有機(jī)酸與銅等發(fā)生螯合(或絡(luò)合)反應(yīng)，形成有機(jī)添加劑。飼料厭氧發(fā)酵后產(chǎn)生的乳酸、乙酸等有機(jī)酸或蛋白質(zhì)降解后的小肽、氨基酸，可以與銅等元素發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，改變了銅等礦物元素的化學(xué)形態(tài)，形成易被機(jī)體利用的有機(jī)礦物添加劑[24]。目前國內(nèi)共識(shí)為與無機(jī)礦物添加劑相比，有機(jī)礦物添加劑能夠減少糞銅等排放及促進(jìn)豬的生長[25]。礦物元素溶解度增加、植酸等抗?fàn)I養(yǎng)因子被降解以及發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)可能為發(fā)酵減排礦物元素、改變礦物元素化學(xué)形態(tài)及促進(jìn)豬的生長的重要原因。本試驗(yàn)去除礦物添加劑的飼料發(fā)酵后促進(jìn)豬生長的結(jié)果有助于糞便礦物元素最大程度的減排及動(dòng)物營養(yǎng)礦物元素利用理論的更新。

本試驗(yàn)去除礦物添加劑及飼料發(fā)酵后豬糞中銅、鐵、鋅、錳化學(xué)形態(tài)發(fā)生了各自相應(yīng)不同的變化，目前未見相似或相反的有關(guān)報(bào)道。推測(cè)銅、鐵、鋅、錳化學(xué)形態(tài)變化不同的原因可能與金屬元素的化學(xué)穩(wěn)定性有關(guān)。其一，銅、鐵、鋅、錳的氧化性各自不同。二價(jià)鐵離子易氧化為三價(jià)鐵，而二價(jià)錳離子難以氧化。其二，銅、鐵、鋅、錳不同元素與富馬酸、蛋氨酸等不同配位體螯合物穩(wěn)定常數(shù)存在明顯差異[26]。不同螯合物在動(dòng)物胃腸道中的吸收率不同。本試驗(yàn)飼料發(fā)酵后形成的有機(jī)酸、小肽或氨基酸與銅等微量元素可能為多元螯合。其三，銅、鐵、鋅、錳在植物和動(dòng)物[27]中的形態(tài)不同，動(dòng)物利用率存在差異。去除礦物添加劑的典型植物性豬飼料中銅、鐵、鋅、錳的利用率存在明顯差異[28]。本試驗(yàn)BCR法只是籠統(tǒng)地將礦物元素劃分為四種形態(tài)，具體的形態(tài)結(jié)構(gòu)及濃度還有待進(jìn)一步研究。

本試驗(yàn)只是對(duì)生豬育肥后期進(jìn)行了去除礦物添加劑31 d的豬糞礦物元素減排研究，去除礦物添加劑飼養(yǎng)期可否進(jìn)一步延長以及發(fā)酵對(duì)糞氮、磷減排的影響、不同形態(tài)礦物元素的遷移規(guī)律等都有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

本研究表明，育肥期全價(jià)飼料中停用礦物元素添加劑31 d，可以降低豬糞中銅、鐵、鋅、錳的含量，不會(huì)降低豬的生長性能；去除礦物添加劑后飼料發(fā)酵可以改變糞中銅、鐵、鋅、錳的化學(xué)形態(tài)，促進(jìn)豬的生長；飼料配方中的植物性原料厭氧發(fā)酵，有助于減少礦物添加劑的使用及豬糞中礦物質(zhì)的減排； 去除添加劑后，豬糞中礦物元素化學(xué)形態(tài)的變化與其元素本身的金屬屬性有關(guān)。